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这种新型锂电隔膜,2020年用量或达1亿平米
发布时间:2019-03-15 15:31:00
关键词:动力电池 锂电池

这种新型隔膜,2020年用量或达1亿平米


近年来,随着锂电池产业的蓬勃发展,市场对锂电池性能上的要求也越来越高。锂电池的安全性、大功率的充放电、续航里程的提升等一系列问题也随之出现。而对锂电池中的每个材料进行相应的升级换代必定会成为解决这些问题的突破口。


无纺布隔膜,很有可能是现有聚烯烃类隔膜升级换代的一个重要方向。


无纺布隔膜的一些基础特点,尤其是和传统PP\PE隔膜相比所具有的优势(比如快充、安全性等一些优势),决定了它在锂电池今后所应用的隔膜材料中应该占有一席之地。


目前,已有多家电池厂商对无纺布隔膜表现出了浓厚的兴趣,也有部分电池厂商正在试用这类产品并且取得了良好的反馈。


无纺布隔膜与传统隔膜的区别


首先,从材料上来看,PP/PE和无纺布(这里指的是PET无纺布)都使用了不同玻璃化转变温度的高分子材料。简单来说,PP/PE的玻璃化转变温度在常温以下,随着温度的上升,膜的材料会变得越来越柔软(严格来说,是分子在局部加速运动的温度)。


例如,电池内部温度在大约60℃进行充放电时,电极会反复膨胀、收缩,PP/PE隔膜在受到反?#35789;?#32553;应力的影响下,孔隙率会渐渐变少。


然而,使用PET无纺布的情况下,其玻璃化转变温度在80℃以上,随着温度的上升不但?#25442;?#21464;得柔软,还能很好的保持稳定的孔隙率,使电池的循环寿命更长。


实际上,同样的现象在镍氢电池的使用中已经得到验证。


高倍率的镍氢电池工作时,电池内部温度会超过100℃时,使用一般的隔膜,或是一般尼龙材质的隔膜,在D型电池200A放电的条件下,仅进行数次充放电循环,隔膜就会很快劣化。


如果使用高玻璃化转变温度的特殊尼龙材质的隔膜,则电池的寿命会有飞跃性的提升,三洋电机已发表过这项研究结果。


今后,很多?#29575;?#20250;在试验中不?#31995;?#34987;验证,就像当初,由玻纤制成的无纺布隔膜,也可以应用在锂离子电池里,还有PP/PE微孔膜,在最初也被认为孔?#37117;?#23380;隙率大,但当时的锂离子电池主要应用于相机和手机上,对隔膜的要求是厚度薄,且具有闭孔功能,?#29575;?#24494;孔膜的发展占有一定的优势。


无纺布隔膜具体应用


无纺布的厚?#20219;?#27861;做到很薄,目前能够量产的最薄无纺布隔膜是?#19978;?#32500;素制成的,厚?#20219;?2-15μm,并且孔径最小化很难实现。


另外,要增加闭孔功能的话,还会再增加2-3元/平米的成本。但是储能和动力电池没有必要增加闭孔功能,所以,无纺布隔膜适用于大型电池,最适合大型、长循环寿命要求的储能和动力电池。


同样的现象,从铅酸电池也可?#36234;?#37322;。小型的铅酸电池,使用的是微细玻璃纤维制成的孔径较小的隔膜,而几百Ah以上的大型铅酸电池所使用的隔膜,则是孔径非常大的隔膜。


目前无纺布隔膜是处于小批量生产阶段,还没大批量被使用。但是已经有很多电池厂商对此表现出了很大的兴趣,并且有的已经在中试的过程中。


无纺布隔膜前景


相较3C数码,储能电池和动力电池领域的成长空间更大,因为它非常适?#31995;?#20307;大容量电池,比如20-30Ah单体更大容量的电池将会更多采用无纺布隔膜,尤其在大型储能、EV车,PHEV车等都会被更广泛地使用,预计到2020年,无纺布隔膜大约有1亿平米的用量。


无纺布隔膜目前的制造难点以及解决方法


目前无纺布隔膜最大的难点主要在?#24067;?#35774;备导致的生产效率不高的问题上。


传统隔膜的生产速度大约在为30-50米每?#31181;櫻?#20551;定2米宽幅时传统隔膜生产速?#20219;?0-100平米每?#31181;櫻?米宽时为100-150平米每?#31181;?#30340;情况下,而无纺布的最大速度可以到达200平方米每?#31181;印?/p>


而要想达到这样的生产效率,能够解决的办法之一,是日本信州大学金翼水教授利用静电纺丝?#38469;?#24320;发了能够连续成膜的方法,机体宽幅为3.8米、长?#20219;?0米以上的静电纺?#21487;?#22791;,可以大大改善静电纺丝的量产效率,也同样适用于其它类型的无纺布隔膜生产。


从成本上来说,制造过程中需要根据隔膜的孔径、厚?#21462;?#22343;匀度,来采用相匹配的纤维。一般来说纤维越细,成本越高。纳米级别直径的PET纤维,成本为1万日元/kg(人民?#20197;?00元/公斤)以上。如果用该级别的纤维作为无纺布隔膜的材料,成本约为100日元(人民?#20197;?元)每平米以上。


另外一种方法是将现有的纤维研磨得更细,这种方法已经应用于超级电容器的隔膜制造上。纤维研磨方式也可适用于锂电池,但要具体根据情况,决定是否需涂布陶瓷涂层。相信今后还会有更多的?#38469;?#34987;应用到这个领域。


关于无纺布隔膜成本


普通PET纤维的价格为20-150元/kg,最贵的可达600元/kg以上。PI纤维为30-50元/kg。


无纺布隔膜一半以上的成本为纤维,1平米使用10g的纤维的情况下,普通纤维的成本约为0.2-1.5元每平米,基本和传统隔膜的成本大体相?#20445;?#22914;果使用纳米级的纤维的成本约为5-6元每平米。


所以无纺布隔膜的成本根据纤维的构成变化而改变,使用粗纤维成本很低,使用纳米级的纤维则成本很高。


成本降低的方式有很多种,比如提高生产效率,提高良品率,改进现有的生产工艺,在厚度方面不能一味地追求太薄。


不同原材?#29616;?#36896;的无纺布隔膜有哪些差异


不同原材?#29616;?#36896;的无纺布隔膜有很多的不同之处,最显著的不同,是耐热性能,比如芳纶、间?#29615;?#32438;可以达到420℃左右的熔融分解温度,对?#29615;?#32438;可以承受600℃。而PET的耐热性可达到200℃以上,能够很好地适用于普通的锂离子电池。



其次,还有纤维粗细的不同,芳纶的纤维无法做细,成本也很高。PET的纤维可以做到很细,强度也较强。纤维素的话,纤维越细强度越低,且无法承受高电压,但是纤维素的价格便宜,容易被磨碎成亚微米级别的尺寸。


另外,特殊的纤维素在被磨碎后,其断面为微米级别的圆形,能形成低密度的薄片,因此可以广泛适用于需要高倍率输出的LTO电池和超级电容器。PI纤维无法做细,成本很高。


经常有人会说到,PET在电池中会分解,不是很适用,这是由于电池中产生了水分和负极表面形成的枝晶直接接触到PET纤维而造成的。如果在PET无纺布表面涂覆陶瓷或PVDF,就能有效杜绝该问题的发生。


目前海内外无纺布隔膜量产的企业有哪些


不完全统计,从事纤维素无纺布隔膜量产的公司,日本有2-4家,美国有1家。日本的企业有日本高度纸工业、广濑制纸和三菱制纸,日本高度纸工业的纤维素隔膜,每年有2、3千万平米的销量,广濑制纸和三菱制纸约为每年1千万平米左右。


锂电方面,唯一量产是日本高度纸工业,在LTO电池领域每年有2、3千万平米的出货量,销售额为每年数亿日元。


另外,从事研发和生产陶瓷涂覆无纺布隔膜的公司,?#20998;?#26377;科德宝和德固赛,中国除了骏东科?#23478;?#22806;,还有从事静电纺丝PI隔膜的江西先材。


哪些汽车厂在使用无纺布隔膜?效果如何?


最初将无纺布涂覆陶瓷作为隔膜使用的是德国的德固赛(Degussa)公司(即后来的Evonik,现在已被Electovaya公司所?#23637;海?/p>


德固赛(Degussa)公司和日本的ENAX公司(日本的电池之父小泽博?#21487;?#31435;的公司),共同开发隔膜时,就对无纺布陶瓷隔膜能否用于电池上进行了验证。


实际上,当时在公交车?#31361;?#36710;上验证了无纺布陶瓷隔膜的安全性。但是ENAX公司的无纺布隔膜产品到目前为止还没有具体应用,日本目前只有在LTO电池领域,估计每年有2、3千万平米的用量。


在电动汽车方面,德固赛公司和戴姆?#23637;?#21496;联合成立了LiTech公司,电池产品搭载于戴姆?#23637;?#21496;的小型电动车Smart。其安全性非常优越,但是据?#24471;?#26377;得到大力推广的问题在于量产规模小,电池成本过高,并且戴姆?#23637;?#21496;已经停止该项目的投资,没有继续使用了。


稿件来源: 车讯前沿
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